JP2009229112A

JP2009229112A - 電圧検出回路

Info

Publication number: JP2009229112A
Application number: JP2008071754A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Sudo; 大輔須藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-08
Also published as: CN101539594A; US20090237085A1

Abstract

【課題】簡単な構成で、リアルタイムに電池の電圧を検出することができる電圧検出回路を提供することをその目的とする。
【解決手段】電圧検出回路１Ａは、電池３の正負両端子間に入力端子Ｔ１及びＴ２を介して接続されるコイル５と、コイル５と磁気的に結合したＭＲ素子Ｒ_Ｍと、を備える。このような構成を採用することで、ＭＲ素子Ｒ_Ｍにおける磁気抵抗の変化に基づいて電池３の電圧をリアルタイムに検出することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の電圧を検出する電圧検出回路に関する。

リチウムイオン二次電池などは、充放電を繰り返すうちに充放電時間に対する充放電される電圧のばらつきが生じる。二次電池の充放電にあたっては、電池の耐久性や安全確保の観点から充電の上限電圧を超えること及び放電の下限電圧を下回ることを禁止する必要があり、電池の電圧を検出する回路が必須とされる。電圧を検出する回路の例としては、下記特許文献１に記載された組電池電圧検出装置１がある。組電池電圧検出装置１は、いわゆるキャパシタ式であり、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９と、フライングキャパシタＣ１，Ｃ２と、出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２とを備える。
特開２００６−７８３２３号公報

しかしながら、このような組電池電圧検出装置１においては、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９及び出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を交互にオン及びオフしてコンデンサＣ１，Ｃ２を介し電圧を検出するため、リアルタイムに電池の電圧を検出することができない。また、入力側サンプリングスイッチＳ１〜Ｓ９及び出力側サンプリングスイッチＳ１０〜Ｓ１２を備えなければならないため、組電池電圧検出装置１を構成する電圧検出回路が複雑となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成でリアルタイムに各電池の電圧が検出可能な電圧検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電圧検出回路は、電池の正負両端子間に接続されたコイルと、コイルと磁気的に結合した磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）と、を備える。

本発明に係る電圧検出回路では、電池からコイルに電流が流れると、コイルに、電池の電圧に対応する磁界が発生する。また、そのコイルに磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）が磁気的に結合しているため、コイルに発生する磁界の強さに対応して、ＭＲ素子のフリー層の磁化の向きが変動し磁気抵抗が変化する。よって、ＭＲ素子における磁気抵抗の変化に基づいて電池の電圧を検出することが可能となる。本発明に係る電圧検出回路では、コイルとＭＲ素子とを含む磁気カプラ方式を採用することで、従来のように、入力側及び出力側のスイッチを設けてその両側のスイッチを相互にオン及びオフする作業を行うことなく、リアルタイムに電池の電圧を検出することができる。

また、ＭＲ素子からの信号を増幅させる増幅手段を更に備えることが好適である。増幅手段を用いて、ＭＲ素子からの信号を増幅させることで、ＭＲ素子の抵抗の変化が微弱であっても精度よく電池の電圧の変化を検出することができる。

本発明に係る電圧検出回路によれば、簡単な構成でリアルタイムに電池の電圧を検出することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素には同様の符号を用い、重複する説明を省略する。図１は、本発明の実施形態に係る電圧検出回路１Ａを模式的に示す図である。図２は、磁気カプラ―Ｍ_Ｃを有する電圧検出回路１Ａの動作を説明するための概略図である。また、図３は、電圧検出回路１Ａを用いた電圧検出装置５０を模式的に示す図である。また、図４及び図５は、電圧検出装置５０の動作を説明するための図である。

図１に示すように、電圧検出回路１Ａは、電池（二次電池）３の正負両端子間に入力端子Ｔ１，Ｔ２を介して電池３に接続されたコイル５と、コイル５に流れる電流Ｉを制限するためにコイル５に直列に接続された抵抗Ｒ_０と、コイル５と磁気的に結合した磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）Ｒ_Ｍを含むブリッジ回路７と、ブリッジ回路７の２つの出力端子ＤＯ１，ＤＯ２からの出力される電圧Ｖ１，Ｖ２の差を増幅する差動増幅回路９とを備える。

コイル５には、コイル５に流れる電流Ｉの大きさに比例する磁界が発生する。よって、コイル５により、電池３の電圧Ｖ（∝Ｉ）に対応した磁界を得ることができる。

ブリッジ回路７は、コイル５と電気的に絶縁されており、電源電位Ｖｃｃとグランド電位ＧＲＤとの間に、ＭＲ素子Ｒ_Ｍと抵抗Ｒ_１とがこの順番で直列に接続された１組目の抵抗列と、抵抗Ｒ_２と抵抗Ｒ_３とがこの順番で直列に接続された２組目の抵抗列とが並列に接続されて構成されている。ＭＲ素子Ｒ_Ｍと抵抗Ｒ_１との接続点には、電圧Ｖ１を出力する第１出力端子ＤＯ１が設けられており、抵抗Ｒ_２と抵抗Ｒ_３との接続点には、電圧Ｖ２を出力する第２出力端子ＤＯ２が設けられている。

ＭＲ素子Ｒ_Ｍは、例えばＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子であり、コイル５に対向するように配置されている。ＭＲ素子Ｒ_Ｍは、外部磁界によって磁化の向きが変化するフリー層と、磁化の向きが固定された固定層と、フリー層と固定層との間に介在する非磁性導電層とからなる。ＭＲ素子Ｒ_Ｍにおいては、電池３の電圧に応じてコイル５に発生される磁界の影響によりフリー層の磁化の向きが変わる。また、フリー層の磁化の向きが変化すると、ＭＲ素子Ｒ_Ｍの抵抗が変化して、第１の出力端子ＤＯ１からの電圧Ｖ１が変化する。一方、第２の出力端子ＤＯ２からの電圧Ｖ２は変化しない。

差動増幅回路９は、出力端子ＤＯ１から出力される電圧Ｖ１と出力端子ＤＯ２から出力される電圧Ｖ２との差分を得るために用いられたものである。差動増幅回路９は、その反転入力端子が抵抗Ｒ_４を介して出力端子ＤＯ１と接続されており、その非反転入力端子が抵抗Ｒ_５を介して出力端子ＤＯ２と接続されている。これにより、第１の出力端子ＤＯ１から出力される電圧Ｖ１は、差動増幅回路９の反転入力端子に入力され、第２の出力端子ＤＯ２から出力される電圧Ｖ２は、差動増幅回路９の非反転入力端子に入力される。また、反転入力端子は、帰還抵抗Ｒ_７を介して出力端子に接続されており、非反転入力端子は抵抗Ｒ_６を介してグラウンド電位ＧＲＤに接続されている。

なお、本例では、Ｒ_４＝Ｒ_５，Ｒ_６＝Ｒ_７であるとし、便宜上、各抵抗の抵抗値の符号を同一記号で表記することとすると、差動増幅回路９出力端子から出力される電圧Ｖ_ＡＭＰは、（Ｒ_７／Ｒ_４）×（Ｖ２−Ｖ１）で与えられる。この電圧Ｖ_ＡＭＰは、電圧検出回路１Ａの出力端子Ｔ３を介して後述する制御部６１に出力される。

以下、図２を用いて、コイル５及びＭＲ素子Ｒ_Ｍからなる磁気カプラＭ_Ｃを含む電圧検出回路１Ａの具体的な動作を説明する。図２に示すように、本実施形態に係るＭＲ素子Ｒ_Ｍは、その固定層Ｌ_Ｓの磁化の向きがＹ軸方向に固定されており、フリー層Ｌ_Ｆの容易磁化軸である磁化の向きはＺ軸方向に向いている。図２のように、電流Ｉが矢印方向に流れ始めると、コイル５には磁界（Ｂ）（フリー層Ｌ_Ｆ付近では−Ｙ軸方向）が発生して、その磁界の影響を受けてＭＲ素子Ｒ_Ｍの磁気抵抗が変化する。詳細に説明すると、電流Ｉが流れると、コイル５に発生する磁界の影響を受けてフリー層Ｌ_Ｆの磁化の向きの方向が少しずつ−Ｙ軸方向（固定層Ｌ_Ｓの磁化の方向と反対方向）に変わり始める。よって、電池３の電圧に比例してＭＲ素子Ｒ_Ｍの抵抗値が増加することになる。

ＭＲ素子Ｒ_Ｍの磁気抵抗（抵抗）が増加すると、ブリッジ回路７の出力端子ＤＯ１から出力される電圧Ｖ１が低下する。また、出力端子ＤＯ１からの電圧Ｖ１が低下すると、差動増幅回路９からの電圧Ｖ_ＡＭＰ[＝（Ｒ_７／Ｒ_４）×（Ｖ２−Ｖ１）]は大きくなる。以上のように、各電池３の電圧が増加すると、それに伴い、差動増幅回路９からの電圧Ｖ_ＡＭＰは増加するため、各電池３の電圧と差動増幅回路９からの電圧Ｖ_ＡＭＰとを適当に関連づけることにより、電池３の電圧を検出することができる。

図３は、電圧検出回路１Ａを用いた組電池用の電圧検出装置５０を模式的に示す図である。電圧検出装置５０は、組電池３３を構成する各電池３それぞれの正負両端子間に入力端子Ｔ１及びＴ２を介して接続されている電圧検出回路１Ａと、各電池３を充電させる充電部７１と、各電池３を放電させる電動モータ８１と、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオフを制御する制御部６１とを備える。

本実施形態において、組電池３３は、例えば、エンジン（図示せず）と電動モータ８１を走行駆動源として併用するＨＥＶ（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）において、電動モータ８１の電源として用いられる。

充電部７１は、スイッチＳＷ１を介して組電池３３の一端を構成する電池３の正極端子と接続されている。なお、組電池３３の他端を構成する電池３の負極端子は、グラウンド電位ＧＲＤに接続されている。

電動モータ８１は、一端がグラウンド電位ＧＲＤに接続されており、他端が電池３とスイッチＳＷ１との間にスイッチＳＷ２を介して接続されている。また、スイッチＳＷ２と電動モータ８１との間には、ＨＥＶの使用者によりオンオフが操作可能なスイッチＳＷ３が設けられている。

制御部６１は、各電池３の電圧検出回路１Ａの差動増幅回路９から電圧Ｖ_ＡＭＰ出力を受けて、各電池３のいずれもが上限電圧Ｖ_ＭＡＸを越えないようにすると共に下限電圧Ｖ_ＭＩＮを下回らないように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２のオンオフを制御するものである。

具体的に説明すると、充電時において、制御部６１は、各電圧検出回路１Ａの各差動増幅回路９からの電圧Ｖ_ＡＭＰをデジタル変換して、そのデジタル変換された電圧Ｖ_ＤＩＧを、予め決められて入力されている上限電圧Ｖ_ＭＡＸと比較する。比較の結果、電圧Ｖ_ＤＩＧが上限電圧Ｖ_ＭＡＸ以上である場合には、スイッチＳＷ１をオフにして、充電を終了する。一方、電圧Ｖ_ＤＩＧが上限電圧Ｖ_ＭＡＸ未満であり、更に通常使用電圧である場合には、スイッチＳＷ１をオンの状態のままに維持する。

また、放電時において、制御部６１は、各差動増幅回路９からの電圧Ｖ_ＡＭＰをデジタル変換して、そのデジタル変換された電圧Ｖ_ＤＩＧを、予め決められて入力されている下限電圧Ｖ_ＭＩＮと比較する。比較の結果、電圧Ｖ_ＤＩＧが下限電圧Ｖ_ＭＩＮ以下である場合には、スイッチＳＷ２をオフにして、放電可能状態を終了する。一方、電圧Ｖ_ＤＩＧが下限電圧Ｖ_ＭＩＮより大きく、更に通常使用電圧である場合には、スイッチＳＷ２をオンの状態のままに維持する。

また、本実施形態の制御部６１は、ＨＥＶにおいて、電圧Ｖ_ＤＩＧが通常使用されている電圧範囲の上端及び下端以内に入っているようにスイッチＳＷ１，２を制御する機能を有している。

次に、図４及び図５を参照しながら、電圧検出装置５０の動作を説明する。まず、図４を用いて、充電時における電圧検出装置５０の動作を説明する。制御部６１から出力されたトリガ信号により組電池３３への充電が開始されると、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフとなり、初期化される（Ｓ２０１）。その後、各電圧検出回路１Ａにより各電池３それぞれの電圧Ｖ_ＡＭＰが出力される（Ｓ２０２）。出力されたそれぞれの電圧Ｖ_ＡＭＰは、制御部６１により、電圧Ｖ_ＤＩＧにデジタル変換され、上限電圧Ｖ_ＭＡＸと比較される（Ｓ２０３）。一以上の電圧Ｖ_ＤＩＧが上限電圧Ｖ_ＭＡＸ以上である場合には、制御部６１により、充電は停止される（Ｓ２０６）。一方、すべての電圧Ｖ_ＤＩＧが上限電圧Ｖ_ＭＡＸ未満である場合には、制御部６１はスイッチＳＷ１の状態をオンのままに維持する。また、スイッチＳＷ１の状態がオンのままに維持されるときは、通常使用される電圧範囲の上端以下であることを条件（１）として、制御部６１により、この条件（１）が満たされているかが更に判断される（Ｓ２０５）。その結果、条件（１）が満たされている時は、Ｓ２０２に戻り、条件（１）が満たされていない時は、充電が終了される。

次に、図５を用いて、放電時における電圧検出装置５０の動作を説明する。制御部６１から出力されたトリガ信号により組電池３３の放電が開始されると、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフとなり、初期化される（Ｓ３０１）。その後、各電圧検出回路１Ａにより各電池３それぞれの電圧Ｖ_ＡＭＰが検出される（Ｓ３０２）。検出されたそれぞれの電圧Ｖ_ＡＭＰは、制御部６１により、電圧Ｖ_ＤＩＧにデジタル変換され、下限電圧Ｖ_ＭＩＮと比較される（Ｓ３０３）。一以上の電圧Ｖ_ＤＩＧが下限電圧Ｖ_ＭＩＮ以下である場合には、制御部６１により、放電は停止される（Ｓ３０６）。一方、すべての電圧Ｖ_ＤＩＧが下限電圧Ｖ_ＭＩＮより大きい場合には、制御部６１はスイッチＳＷ２の状態をオンのままに維持する。また、スイッチＳＷ２の状態がオンのままに維持されるときは、通常使用される電圧範囲の下端以上であることを条件（２）として、制御部６１により、この条件（２）が満たされているかが更に判断される（Ｓ３０５）。その結果、条件（２）が満たされている時は、Ｓ３０２に戻り、条件（２）が満たされていない時は、放電が終了される。

本実施形態に係る電圧検出回路１Ａでは、電池３の正負両端子間にコイル５が接続されている。そのため、コイル５に、電池３の電圧に対応する磁界が発生する。また、そのコイル５にＭＲ素子Ｒ_Ｍが磁気的に結合しているため、コイル５に発生する磁界の強さに対応して、ＭＲ素子Ｒ_Ｍのフリー層Ｌ_Ｆの磁化の向きが変動し磁気抵抗が変化する。よって、ＭＲ素子Ｒ_Ｍにおける磁気抵抗の変化に基づいて電池３の電圧を検出することが可能となる。このように、コイル５と、コイル５と磁気的に結合したＭＲ素子Ｒ_Ｍとからなる磁気カプラＭ_Ｃを備えることで、入力側及び出力側のスイッチを設けてそのスイッチを相互にオンオフする作業を行うことなく、簡単な構成でリアルタイムに電池３の電圧を検出することができる。

また、ブリッジ回路７を構成する１組目の抵抗（Ｒ_Ｍ，Ｒ_１）の間の出力端子ＤＯ１と、２組目の抵抗（Ｒ_２，Ｒ_３）の間の出力端子ＤＯ２とから出力される電圧Ｖ１及びＶ２を差動増幅回路９に入力して、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差を増幅させることで、ＭＲ素子Ｒ_Ｍの抵抗の変化が微弱であっても精度よく電池３の電圧の変化を検出することができる。

また、本実施形態の電圧検出装置５０は、各電圧検出回路１Ａから出力されるそれぞれの電圧Ｖ_ＡＭＰを電圧Ｖ_ＤＩＧにデジタル変換して、その電圧Ｖ_ＤＩＧが上限電圧Ｖ_ＭＡＸ以上又は下限電圧Ｖ_ＭＩＮ以下にならないようにスイッチＳＷ１，２を制御する制御部６１を備える。これにより、組電池３３を構成する各電池３の耐久性や安全確保を確保することができる。更に、制御部６１は、ＨＥＶにおいて、電圧Ｖ_ＤＩＧが通常使用されている電圧範囲の上端及び下端以内に入っているようにスイッチＳＷ１，２を制御する機能を有しているため、より有効に各電池３の耐久性や安全確保を確保することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、制御部６１は、電圧検出回路１Ａから出力された電圧Ｖ_ＡＭＰを電圧Ｖ_ＤＩＧにデジタル変換し、デジタルデータである電圧Ｖ_ＤＩＧに基づいてスイッチＳＷ１，２を制御しているが、電圧Ｖ_ＡＭＰをデジタル変換せずにアナログデータである電圧Ｖ_ＡＭＰをアナログコンパレータに入力する等してスイッチＳＷ１，２を制御してもよい。
また、本実施形態においては、ＭＲ素子Ｒ_ＭとしてＧＭＲ素子が用いられているが、これに限定されるものではなく、例えばトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ(ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ））素子等であってもよい。

本発明の実施形態に係る電圧検出回路１Ａを模式的に示す図である。図１の電圧検出回路１Ａの動作を説明するための概略図である。電圧検出回路１Ａを用いた電圧検出装置５０を模式的に示す図である。電圧検出装置５０の動作を説明するためのフローチャートである。電圧検出装置５０の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…電圧検出回路、３…電池、５…コイル、Ｒ_Ｍ…磁気抵抗効果素子、９…差動増幅回路。

Claims

電池の正負両端子間に接続されるコイルと、
前記コイルと磁気的に結合した磁気抵抗効果素子と、
を備える電圧検出回路。
前記磁気抵抗効果素子からの信号を増幅させる増幅手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出回路。